水泥清华土木工程材料.pptx

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1、水泥（CementCement）水泥概述通用硅酸盐水泥通用硅酸盐水泥的生产水泥组成材料水泥技术要求水泥水化与凝结硬化水泥石的腐蚀与预防通用硅酸盐水泥的性能特点及选用其他品种硅酸盐水泥其他品种水泥新型胶凝材料及其在土木工程中的应用第1页/共79页 根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。水泥概述 什么是水泥(cement)？水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。水泥的种类有哪些？按安用途和性能：通用水泥、特性水泥和专用水泥。水泥的化学成分硅酸盐系水泥铝酸盐系水泥硫铝酸盐系水泥磷酸盐系水泥硫铝酸钙硅酸钙铝酸钙磷酸钙,镁第2页/共79页 根据

2、水泥的特性，有：膨胀水泥、快硬水泥、低热水泥、抗硫酸盐水泥等。根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。水泥概述 什么是水泥(cement)？水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。水泥的种类有哪些？按安用途和性能：通用水泥、特性水泥和专用水泥。水泥的特性膨胀水泥快 硬 水 泥低 热 水 泥抗腐蚀水泥硬化时膨胀硬化速度快水化热低耐腐蚀性好第3页/共79页 根据水泥的特性，有：膨胀水泥、快硬水泥、低热水泥、抗硫酸盐水泥等。根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。水泥概述 什么是水泥(cement

3、)？水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。水泥的种类有哪些？按安用途和性能：通用水泥、特性水泥和专用水泥。u水泥在土木工程中的重要作用水泥是当今产量与用量最大的土木工程材料！水泥及其砂浆、混凝土与纤维水泥等水泥基材料普遍用于各种土木工程和钢筋混凝土结构！其性能和正确选用对土木工程功能与质量至关重要！第4页/共79页原 料：硅质：粘土，硅质：粘土，(SiO2、Al2O3)，占占1/3 钙质：石灰石、白垩等，钙质：石灰石、白垩等，(CaO)，占占2/3调节原料：铁矿与砂调节原料：铁矿与砂，调节与补充，调节与补充Fe2O3 与与SiO2制造工艺的制造工艺的“两两磨磨一一烧烧”工艺流程：工艺

4、流程：硅酸盐水泥的生产硅质(粘土)钙 质(石灰石)1450调节原料(铁质)石膏水 泥生 料熟 料混合材粉 磨煅 烧粉 磨 第5页/共79页通用硅酸盐水泥的种类根据混合材料的用量和种类的不同，可得到不同种类的通用硅酸盐水泥u硅酸盐水泥 P（无混合材）P（5粒化高炉矿渣或石灰石粉）u普通硅酸盐水泥PO（620%混合材）u大掺量混合材硅酸盐水泥不同种类、较大用量混合材第6页/共79页掺大量混合材的硅酸盐水泥品种硅酸盐水泥熟料石膏 2070%矿 渣矿渣硅酸盐水泥2040%火山灰火山灰硅酸盐水泥2040%粉煤灰粉煤灰硅酸盐水泥2050%两种混合材复合硅酸盐水泥 掺混合材硅酸盐水泥的凝结硬化和性能与所掺混

5、合材的种类与掺量密切相关！第7页/共79页通用硅酸盐水泥的品种及代号 第8页/共79页硅酸盐水泥的组成硅酸盐水泥熟料主要胶凝物质，能水化硬化石膏适量时，调节水泥的凝结时间（延缓）；过量时，引起提价安定性不良；天然石膏、工业副产石膏混合材料调节水泥的强度等级；降低水泥成本活性混合材：粉煤灰、粒化高炉矿渣、火山灰质材料非活性混合材：石灰石等，活性未达标的活性混合材窑灰：水泥回转窑窑尾废气中收集的粉尘助磨剂：水泥粉磨时加入，不超过水泥质量的0.5%必要组分熟料又是如何组成的呢？第9页/共79页矿物名称英文名称缩写分子式矿 物 式硅酸三钙AliteC3SCa3SiO53CaOSiO2硅酸二钙Belit

6、eC2SCa2SiO42CaOSiO2铝酸三钙AluminateC3ACa3Al2O63CaOAl2O3铁铝酸四钙FerriteC4AFCa2(Al,Fe)2O54CaOAl2O3Fe2O3 含 量(mass%)366015377151018u化学组成：主要成分：CaO(=C)，SiO2(=S)，Al2O3(=A)，Fe2O3(=F)少量杂质：MgO、K2O、Na2O、SO3、P2O5等。u矿物组成：硅酸盐水泥熟料主要含有四种矿物：硅酸盐水泥熟料的组成第10页/共79页通用硅酸盐水泥的技术要求化学指标不溶物不溶物烧失量烧失量三氧化硫三氧化硫氧化镁氧化镁氯离子氯离子碱含量（选择性指标）物理指标凝

7、结时间凝结时间体积安定性体积安定性强度强度细度（选择性指标）细度（选择性指标）耐腐蚀性软水侵蚀软水侵蚀盐类侵蚀盐类侵蚀酸类腐蚀酸类腐蚀强碱腐蚀强碱腐蚀第11页/共79页1.化学指标第12页/共79页碱含量主要从水泥生产原材料，尤其是粘土中带入，碱含量高有可能产生碱-集料反应。水泥中碱含量按Na2O+0.658K2O计算值表示，按照水泥化学分析方法（GB/T 176）进行试验检验。若使用活性骨料，用户要求提供低碱水泥时，水泥中的碱含量应不大于0.60%或由买卖双方协商确定。2.碱含量第13页/共79页3.1 物理指标凝结时间 概念：凝结时间水泥加水开始到水泥浆失去流动性，即从可塑性发展到固体状态

8、所需要的时间。初凝：从水泥加水拌和到水泥浆开始失去可塑性所需从水泥加水拌和到水泥浆开始失去可塑性所需的时间；的时间；终凝：从水泥加水拌和到水泥浆完全失去可塑性，并从水泥加水拌和到水泥浆完全失去可塑性，并开始具有强度所需的时间。开始具有强度所需的时间。测定方法：用标准稠度的水泥净浆，在规定的温湿度下，用凝结时间测定仪来测定。u国标要求：硅酸盐水泥：初凝45min；终凝390min。其它通用水泥：初凝45min；终凝时间600min。按规定的方法拌制的水泥净浆，在水泥标准稠度测定仪上，试杆沉入净浆底座（61）mm时的水泥净浆的稠度为标准稠度。水泥净浆达到标准稠度时所需要的水量称为标准稠度用水量，通

9、常为水泥质量的24%30%第14页/共79页试杆下降高度（341）水泥浆试杆400.2水泥标准稠度测定第15页/共79页水泥凝结时间的测定标准稠度水泥浆离底41mm为初凝，用分钟表示min园弧形压痕终凝0.5mm第16页/共79页 答：u水泥凝结时间的规定是为了有足够的时间进行施工操作和硬化的混凝土质量；u初凝时间太短，来不及施工，水泥石结构疏松、性能差，水泥无使用价值；u终凝时间太长，强度增长缓慢，也会影响施工。国标规定：凡初凝时间、终凝时间不符合规定的水泥为不合格品。为什么？第17页/共79页基本概念：水泥凝结硬化过程中，体积变化是否均匀适当的性质称为体积安定性。若水泥石的体积变化均匀适当

10、，则体积安定性良好；若水泥石发生不均匀体积变化：翘曲、开裂等，则水泥的体积安定性不良。水泥体积安定性不良的原因：水泥熟料中含有过多的游离CaO、MgO和石膏。因为水泥熟料中的游离CaO、MgO都是过烧的。水化速度很慢。在已硬化的水化石中继续与水反应，其固体体积增大1.98%和2.48倍。产生不均匀体积变化，造成水泥石开裂、翘曲。石膏量过多，在水泥凝结硬化后，会有钙钒石形成，产生膨胀。3.2 物理指标安定性 第18页/共79页试饼法雷氏夹法合格标准：5mm。肉眼观察表面有无裂纹用直尺检查有无弯曲合格标准：无裂纹、无弯曲。试饼法 用标准稠度的水泥净浆做成试饼，在水中经恒沸3h后，用肉眼观察没有裂纹

11、，用直尺检查没有弯曲，则体积安定合格，反之，体积安定性不合格。雷氏夹法 测量雷氏夹中的水泥净浆，经沸煮3h后的膨胀值。该值不大于5.0mm时，则体积安定性合格，否则，为体积安定性不合格。u检验方法（对于游离氧化钙引起的安定性不良）对于游离氧化镁引起的体积安定性不良，必须根据水泥压蒸安定性试验方法（GB/T 750）用压蒸法检验其危害作用第19页/共79页3.3 物理指标强度 检验方法软练胶砂法，分别测量抗压强度和抗折强度。试件尺寸：试件尺寸：4040160mm棱柱体；棱柱体；胶砂配比：胶砂配比：水泥水泥:ISO标准砂标准砂:水水=1:3:0.5；振动成型：振动成型：在频率为在频率为280030

12、00次次/min，振幅，振幅0.75mm的振实台上成型。振动时间的振实台上成型。振动时间120s。试件养护：试件养护：在在20 C 1C，相对湿度不低于，相对湿度不低于90%的雾室或养护箱中的雾室或养护箱中24h，然后脱，然后脱模在模在20C 1 C的水中养护至测试龄期；的水中养护至测试龄期；水泥胶砂强度检验方法（ISO法）（GB/T 17671）第20页/共79页100mm160mmP抗折强度试验PP抗压强度试验强度测量：将试件从水中取出，先进行抗折强度试验，折断后每截再进行抗压强度试验。受压面积为4040=1600mm2。结果计算：抗折强度以三个试件的平均值，抗压强度以六个试件的平均值。第

13、21页/共79页根据根据3 3天天和和2828天天强强度测度测试结试结果，果，将水将水泥强泥强度划度划分若分若干个干个强度强度等级等级 强度等级第22页/共79页3d28d时间（d）强度（MPa）水泥强度发展规律第23页/共79页答：水泥胶砂试件的强度与水泥的组成、试件的水灰比和砂灰比、水泥的水化程度，以及试件的大小有关，而水泥的水化程度与养护条件和养护时间有关；水泥强度检验目的是检验具有确定组成的水泥的强度，因此，为排除其它因素的影响，将这些因素统一规定，以便相互比较。为什么水泥强度检验方法要规定试件尺寸、试件配比、养护条件、养护时间等？第24页/共79页定义 细度是指水泥粉体的粗细程度。测

14、量方法筛析法筛析法：以80m或45m方孔筛的筛余量表示；比表面积法（勃氏法）比表面积法（勃氏法）：以1kg水泥颗粒所具有的总表面积来表示。国标要求硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥的比表面积比表面积应大于300m2/kg；其它通用硅酸盐水泥其它通用硅酸盐水泥的80m方孔筛的筛余量不得超过10.0%，或45m方孔筛的筛余量不得超过30.0%。为什么需要规定水泥的细度，是不是水泥越细越好？3.4 物理指标细度 第25页/共79页答：水泥颗粒细度影响水化活性和凝结硬化速度，水泥颗粒太粗，水化活性越低，不利于凝结硬化；虽然水泥越细，凝结硬化越快，早期强度会越高，但是水化放热速度也快，

15、水泥收缩也越大，对水泥石性能不利；水泥越细，生产能耗越高，成本增加；水泥越细，对水泥的储存也不利，容易受潮结块，反而降低强度。为什么需要规定水泥的细度，是不是水泥越细越好？第26页/共79页扩展介绍：水泥的水化热 概念：水泥的水化是放热反应，放出的热量就是水化热。放热特征：水泥放热过程可持续很长时间，但大部分在3d内释放。水化热的益处与危害：水化热有利于水泥的快硬，尤其是在冬天施工，但如果水化热发散不均匀，容易在混凝土中引起裂缝，尤其是大体积混凝土，更是如此。水化热和放热速度的影响因素：水泥矿物组成水泥细度 第27页/共79页初始放热峰放热主峰放热速度逐渐减慢实测的水泥水化放热全曲线放热速度很

16、低第28页/共79页水泥的水化和凝结硬化u水化水泥加适量水拌合后，立即发生化学反应，水泥的各组分开始溶解并产生复杂的物理、化学与力学的变化，可称之为水泥的水化。u凝结从水泥加水搅拌开始到水泥浆体失去塑性的过程，此时水泥浆体还不具备强度。u硬化随着水泥水化反应的继续进行，凝结的水泥浆体产生明显的强度并逐渐发展而成为坚硬水泥石的过程。水泥浆体转变成坚硬固体的过程是一个复杂的物理化学变化过程。水泥水化是其凝结硬化的前提，而凝结硬化则是水泥水化的结果。第29页/共79页水泥的水化和凝结硬化水泥与水能发生化学反应水化反应；水化反应将结合占水泥质量30左右的拌和水；水化反应的产物水化物能相互凝聚成三向网络

17、结构很大的表面能，而且相互间有很强的次价键力。水泥熟料矿物的水化反应水泥浆的凝结硬化水泥浆凝结硬化的影响因素第30页/共79页矿物名称英文名称缩写分子式矿 物 式硅酸三钙AliteC3SCa3SiO53CaOSiO2硅酸二钙BeliteC2SCa2SiO42CaOSiO2铝酸三钙AluminateC3ACa3Al2O63CaOAl2O3铁铝酸四钙FerriteC4AFCa2(Al,Fe)2O54CaOAl2O3Fe2O3 含 量(mass%)376015377151018u化学组成：主要成分：CaO(=C)，SiO2(=S)，Al2O3(=A)，Fe2O3(=F)少量杂质：MgO、K2O、Na

18、2O、SO3、P2O5等。u矿物组成：硅酸盐水泥熟料主要含有四种矿物：硅酸盐水泥熟料的组成（回顾）水化速度较快慢最快快放热量多少最多中强度较高后期高低较低耐侵蚀中良差优第31页/共79页水泥熟料矿物的水化反应特征：水泥熟料颗粒中的四种主要矿物同时进行水化反应；其水化反应均是放热反应；水化反应是固液异相反应。反应速度序列：半水石膏CaSO40.5H2O和游离氧化钙f-CaO的水化铝酸三钙C3A的水化铁铝酸四钙C4AF的水化硅酸三钙C3S的水化硅酸二钙-C2S的水化来自水泥粉磨过程中二水石膏的脱水分解：CaSO42H2O CaSO40.5H2O+1.5H2O第32页/共79页C3S与-C2S的水化

19、水化生成水化硅酸钙C3S2H3C-S-H凝胶和Ca(OH)2,并放热 硅酸三钙：2C3S +6H C3S2H3 +3CH +120cal/g 硅酸二钙：2C2S +4H C3S2H3 +CH +62cal/g (C-S-H)+羟钙石特征：形成相同的水化物组成不确定的C-S-H凝胶，组成为：CaxH6-2xSi2O7.zCa(OH)2 nH2O(x,z与温度、水灰比有关)其中钙硅比(C/S)：CaO/SiO2=(xz)/2 C3S反应速度比C2S快，其放热量比C2S大。水化机理溶液中反应固相颗粒表面的局部反应。水化度水化时间（天）第33页/共79页CSH凝胶体结构水化硅酸钙的形成重新排列和凝聚后

20、的凝胶体结构第34页/共79页硅酸钙矿物颗粒的电镜照片硅酸钙矿物颗粒的电镜照片硅酸钙矿物水化后的电镜照片硅酸钙矿物水化物的特征硅酸钙的水化产物C-S-H与Ca(OH)第35页/共79页铝酸三钙C3A的水化铝酸钙C3A的水化行为在水泥水化早期特别重要纯C3A与水反应迅速，生产水化铝酸钙：C3A +18H2O C2AH8+C4AH13 C3AH6 (不稳定的中间产物)(稳定产物)这一反应导致水泥浆闪凝或假凝，必须避免！避免闪凝的有效途径加入石膏CaSO42H2O 这就是硅酸盐水泥生产中，必须加入石膏与水泥熟料一起粉磨的根本原因！这一发明是硅酸盐水泥发展史上的一个里程碑。u石膏缓凝机理：v 钙钒石的

21、形成反应(1)速度比纯C3A的反应(3)慢；v 在水泥颗粒表面析出钙矾石晶体构成阻碍层，延缓了水泥颗粒的水化，避免闪凝或假凝。第36页/共79页铁铝酸四钙C4AF的水化铁铝酸四钙C4AF与水发生类似于C3A的水化反应，也形成类似的产物钙钒石和单硫型水化物：C4AF+7H C3AFH6 CFH C4AF +3CH2 +26H C3(A,F)3C3H32 C4AF +CH2 +20H C3(A,F)C3H16uC4AF水化物的组成是可变的，属于铝酸盐与铁酸盐的固溶体，并由铁相凝胶产生。uC4AF的水化反应对整个水泥的行为影响较小。水泥熟料矿物强度增长曲线示意图第37页/共79页单一水泥颗粒在大量水

22、中的水化过程模型新拌1小时后数小时后几天后几周后拌合水未水化的核水化物CSHCa(OH)2晶体第38页/共79页水泥颗粒水水泥颗粒分散在水中形成水泥浆体硅酸盐水泥水化物理过程模型水泥水化物膜层水泥颗粒的水化从表面开始，在表面形成水化物膜层诱导期水化物膜层随水化时间向内不断增厚，进入潜伏期。在渗透压的作用下，膜层破裂、扩展，占据原来被水占据的空间，进入凝结期。凝结期：水化物不断填充被水占据的空间，成为连续相，拌和水不断减少，并被水化物分割成非连续相。随着水泥颗粒的不断水化，水化物不断填充毛细孔和水所占据的空间，固体相成为连续相，并具有一定强度。进入硬化期。第39页/共79页先在固液界面发生，水化

23、物围绕每颗水泥颗粒未水化的内核区域沉积；早期水化物在颗粒上形成表面膜层，阻碍了进一步反应进入潜伏期；因渗透压或Ca(OH)2的结晶或二者，水化物膜层破裂，导致水化继续迅速进行进入水化的加速期；随着水化的不断进行，水占据的空间越来越少，水化物越来越多，水化物颗粒逐渐接近，构成较疏松的空间网状结构，水泥浆失去流动性，可塑性降低凝结；由于水泥内核的继续水化，水化物不断填充结构网中的毛细孔隙，使之越来越致密，空隙越来越少，水化物颗粒间作用增强，导致浆体完全失去可塑性，并产生强度硬化。水泥浆凝结硬化的物理过程第40页/共79页熟料矿物水化物量随时间的增长情况 随着水泥的水化，水化产物量不断增加，水化物固

24、相所占据的空间越来越多，而原来由水占据的空间越来越少，固体连续相逐渐形成。第41页/共79页水灰比0.55的水泥浆水化1天黑色箭头指示部分水化物壳层；白色箭头指示完全水化物壳层。水泥浆凝结硬化过程的微观观察a:C3Sb:C2S 水灰比0.55的水泥浆水化9个月I,：C-S-H内产物相;A：铁相/CH;B：水化 belite;白色箭头指示完全水化物壳层第42页/共79页水泥浆中氢氧化钙的生长3 天7 天28 天365 天第43页/共79页应用水泥凝结硬化机理分析与解答问题水泥生产中为什么掺加石膏？C3A在水中溶解度大，反应很快，引起水泥浆闪凝；水泥的凝结速度取决于水泥浆体中水化物凝胶微粒的聚集，

25、Al3对凝胶微粒聚集有促进作用；石膏与C3A反应形成难溶的硫铝酸钙水化物，反应速度减缓，并减少了溶液中的Al3浓度，延缓了水泥浆的凝结速度。为什么水泥硬化后能产生强度？水泥浆体硬化后转变为越来越致密的固体；在浆体硬化过程中，随着水泥矿物的水化，比表面较大的水化物颗粒不断增多，颗粒间相互作用力不断增强，产生的强度越来越高。第44页/共79页水泥浆体强度的增长规律是什么？水泥浆体的强度随龄期而逐渐增长，早期增长快，后期增长较慢，但是只要维持一定的温度和湿度，其强度可在相当长的时期内增长。这与水泥矿物的水化反应规律是一致的。为什么强度发展与环境温、湿度有关？水泥的水化需要水，如果没有水，水泥的水化就

26、将停止；提高温度可加快水泥的凝结硬化，而降低温度就会减缓水泥的凝结硬化。为什么水泥的储存与运输时应防止受潮？水泥受潮，因表面水化结块，丧失凝胶能力，强度大为降低。应用水泥凝结硬化机理分析与解答问题第45页/共79页（1）水泥矿物组成（2）水泥细度（3）养护条件（温度、湿度）与时间（4）拌合用水量（5）水泥中的混合材（6）水泥外加剂水泥凝结硬化的主要影响因素 水泥浆的凝结硬化取决于水泥的水化，水泥水化速度是矿物组成及其含量、粉磨细度、温度和水灰比的函数：R(t)=f(C3S)f(细度)f(T)f(W/C)第46页/共79页水泥熟料中单一矿物的水化速度水化度()时间(天)水泥熟料矿物组成的影响u水

27、泥熟料矿物的水化速度：C3A C3ACaSO42H2O C3S C4AF C2Su水泥的C3A和C3S含量越高，凝结硬化速度越快；u水泥的C3A和C3S含量越低，凝结硬化速度越慢；第47页/共79页石膏掺量的影响石膏主要降低C3A的水化速度；掺量太少，凝结较快；过多，凝结硬化影响不大。石膏掺量对C3A浆体(水/固比1.0)水化速度(放热量)的影响放热速度(W/kg)试时间(h)石膏掺量增加：放热速度减慢 放热峰延后石膏掺量对C3A与硅酸钙浆体初凝时间的影响 石膏掺量增加，凝结硬化加快；掺量达到一定后，再增加，影响不大。第48页/共79页水泥颗粒细度的影响水泥颗粒越细，水化速度越快，为什么？答：

28、水泥的水化反应是液固异相反应，反应首先发生在液固界面上；水泥颗粒越细，比表面积越大，界面区越大，反应点越多，因此水化速度越快。比表面积 m2/kg放热速度时间/小时细度(比表面积)对C3S浆体(水/固比1.0)水化速度(放热量)的影响水泥浆比表面积与水化度随时间的关系水化度(%)比表面积(m2/cm3)第49页/共79页水泥细度Fineness of Cement粒径：3m 水化非常迅速，需水量增大；90 m 几乎接近惰性。第50页/共79页温度与湿度的影响温度升高，水化反应加快，凝结硬化加速，为什么？温度升高10C，速度加快一倍。温度低于0C时，水化反应基本停止。保持一定湿度，有利于水泥的水

29、化。温度升高，放热速度加快，诱导期时间缩短第51页/共79页拌和用水量的影响重要概念：水灰比水泥浆体中拌和水量与水泥质量之比(W/C)；水泥熟料矿物完全水化的理论水灰比0.23；水灰比越大，需要水化物固相填充的孔隙越多，凝结硬化所需时间越长；水灰比越大，水泥石中孔隙越多，强度越低。第52页/共79页未水化水泥毛细孔水泥凝胶体积比水灰比长时间放置在水中的水泥浆体水化最终生成物第53页/共79页问题？水泥凝结硬化速度快，有什么不利影响？答：水化加快，放热速率加速，升温并膨胀，凝结硬化形成的微结构体积较疏松，且在随后的降温期间，或受干燥环境作用收缩变形时产生大量微裂缝，致使结构混凝土强度与渗透性（耐

30、久性）受到严重影响。u水泥宜在什么条件下凝结硬化？答：水泥宜在常温(2010C)与相对湿度较高的条件下，凝结硬化。即水泥水化速度适宜的温度，水化 所需水分供应充足的条件。第54页/共79页水泥石的腐蚀与预防 基本概念：在使用环境中，硅酸盐水泥石受某些腐蚀性介质的作用，其组成和结构会逐渐发生变化或受到损害，导致性能改变、强度下降等。水泥是结构的腐蚀可分为物理腐蚀和化学腐蚀。u水泥石腐蚀性破坏外因：环境中腐蚀性介质，如：软水；酸、碱、盐的水溶液等u水泥石腐蚀性破坏内因：水泥石内存在原始裂缝和孔隙，为腐蚀性介质侵入提供了通道；水泥石内有在某些腐蚀性介质下不稳定的组分，如：Ca(OH)2，水化铝酸钙等

31、；腐蚀与毛细孔通道的共同作用加剧水泥石结构的破坏 第55页/共79页软水侵蚀（溶出性侵蚀）软水侵蚀（溶出性侵蚀）机理：当水泥石处在软水中，软水能使水泥石中的Ca(OH)2溶解，并溶出水泥石，留下孔隙；另一方面，水泥石中游离的钙离子的减少，使钙离子的浓度低于水化物的溶度积，导致水化物分解、溶失和转变，产生大量孔隙。尤其是处于压力水或流水条件下，腐蚀越快。破坏形式：水化物的分解、溶失，造成水泥石密实度下降，孔缝增多、强度降低，直至整体破坏。预先在空气中碳化，可一定程度上阻止溶出性侵蚀。第56页/共79页盐类腐蚀盐类腐蚀 硫酸盐的腐蚀 腐蚀机理：硫酸盐与水泥石中的氢氧化钙反应，生成硫酸钙。硫酸钙再与

32、水泥石中未水硫酸盐与水泥石中的氢氧化钙反应，生成硫酸钙。硫酸钙再与水泥石中未水化的铝酸钙反应，生成钙矾石（高硫型水化硫铝酸钙），其体积增加化的铝酸钙反应，生成钙矾石（高硫型水化硫铝酸钙），其体积增加1.5倍，倍，引起水泥石的破坏。引起水泥石的破坏。当硫酸钙浓度高时，他们可直接结晶，生成二水石膏晶体，造成膨胀压力，当硫酸钙浓度高时，他们可直接结晶，生成二水石膏晶体，造成膨胀压力，引起破坏。引起破坏。镁盐的腐蚀 腐蚀机理：主要是硫酸镁和氯化镁，他们与氢氧化钙反应，生成氢氧化镁和硫酸钙或氯化钙，造成双重腐蚀作用。钙矾石水泥石受硫酸盐侵蚀后，内部形成膨胀性结晶产物水泥石受硫酸盐侵蚀后，因膨胀性结晶产物

33、引起的开裂第57页/共79页酸类腐蚀酸类腐蚀 腐蚀机理：水泥石中的水化物都是碱性化合物，与碳酸、盐酸、硫酸、醋酸、蚁酸等酸反应生成可溶性盐。另一方面，氢氧化钙浓度的降低，会导致水泥石中其它水化物的分解，使腐蚀作用加剧。破坏形式：溶失性破坏，组成与结构发生很大改变。水泥石受酸腐蚀后，表面溶失、脱落第58页/共79页强碱腐蚀强碱腐蚀腐蚀机理：氢氧化钠、氢氧化钾等强碱可与水泥石中的铝酸钙矿物或水化物反应，生成可溶性铝酸盐。当介质中强碱浓度较高时，会造成水泥石的严重破坏。水泥耐蚀性的定量表示耐蚀系数同龄期下，水泥试件在侵蚀性溶液中养护的强度与在淡水中养护的强度之比。第59页/共79页防止水泥石腐蚀的措

34、施 主要针对引起腐蚀破坏的内因采取措施，根据使用环境条件，选用水泥品种，降低水泥石中不稳定组分的含量；提高水泥石的密实度，减少腐蚀性介质的通道，如降低水灰比、掺加外加剂等；表面防护处理，堵塞通道如：防腐涂层。第60页/共79页问题？降低水泥石中Ca(OH)2的含量，对水泥的耐腐蚀性有什么作用？为什么？答：降低水泥石中Ca(OH)2的含量，可以提高水泥的抵抗化学腐蚀和软水腐蚀的能力。因为，化学和软水腐蚀与水泥石中的氢氧化钙密切相关。第61页/共79页Summary物理力学性能密度强度体积稳定性细度水化热耐久性能软水腐蚀盐类腐蚀酸类腐蚀强碱腐蚀为了满足土木工程应用的要求，水泥需具备三方面的性能u施

35、工性能凝结时间标准稠度用水量第62页/共79页通用硅酸盐水泥的性能特点及选用硅酸盐水泥水化、凝结与硬化速度快，早期强度高。水化热大，且放热较集中。抗冻性好，干缩性相对较小，耐磨性好。耐腐蚀性差。水化产物中有较多的氢氧化钙。耐热性差。环境温度100以上时，强度有所提高；温度超过250，强度开始下降；温度超过400后，强度明显下降；超过700以上后，发生严重破坏。（普通硅酸盐水泥）普通水泥的抗冻、耐磨等性能较硅酸盐水泥稍差；同等级时，普通水泥早期硬化速度表现稍慢，3d抗压强度也稍低。第63页/共79页通用硅酸盐水泥的性能特点及选用高掺量混合材硅酸盐水泥早期强度低，后期强度增长潜力大。水化热低。较好

36、的软水侵蚀和硫酸盐侵蚀抵抗能力。对温度敏感，适合高温养护。抗冻性较差，耐磨性较差。抗碳化能力较差。耐热性较强。硬化后干缩较大。保水性较差，泌水性较大。第64页/共79页通用硅酸盐水泥的性能特点及选用硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥矿渣水泥火山灰水泥粉煤灰水泥特性早期强度高；水化热较大；抗冻性较好；耐蚀性差；干缩较小与硅酸盐水泥基本相同早期强度较低，后期强度增长较快；水化热较低；耐热性好；耐蚀性较强；抗冻性差；干缩性较大；泌水较多早期强度较低，后期强度增长较快；水化热较低；耐蚀性较强；抗抗渗性好；抗冻性差；干缩性大早期强度较低，后期强度才长较快；水化热较低；耐蚀性较强；干缩性较小；抗裂性较高；抗冻性差适

37、用范围一般土建工程中钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土结构；受反复冰冻作用的结构；配制高强混凝土高温车间和有耐热耐火要求的混凝土结构；大体积混凝土结构；蒸汽养护的构件；有抗硫酸盐侵蚀要求的工程地下、水中大体积混凝土结构和有抗渗要求的混凝土结构；蒸汽养护的构件；有杭硫酸盐侵蚀要求的工程地上、地下及水中大体积混凝土结构；蒸汽养护的构件；抗裂性要求较高的构件；有抗硫酸盐侵蚀要求的工程不适用大体积混凝土结构；受化学及海水侵蚀的工程早期强度要求高的工程；有抗冻要求的混凝土工程处在干燥环境中的混凝土工程；其他同矿渣水泥有抗碳化要求的工程；其他同矿渣水泥第65页/共79页白色硅酸盐水泥（彩色硅酸盐水泥）组成特点：

38、水泥中的氧化铁的含量低于水泥质量的0.5%。性能特点：外观为白色，按白度分为一级、二级和三级；技术要求与普通水泥同。强度等级分为32.5,42.5和52.5三个等级 细度（80m方孔筛筛余不超过10%），初凝45min，终凝600min彩色硅酸盐水泥（相当于白色硅酸盐水泥加入着色剂和混合材）强度等级分为27.5，32.5和42.5三个等级 细度（80m方孔筛筛余不超过6%），初凝60min，终凝600min应用特点：白水泥熟料与颜料、石膏共同磨细可制得彩色水泥；主要用于建筑室内外装饰等。第66页/共79页道路硅酸盐水泥 由道路硅酸盐水泥熟料，适量石膏，加入010%符合要求的粒化高炉矿渣、粒化电

39、炉磷渣或钢渣等活性混合材料，磨细制成的水硬性胶凝材料，称为道路硅酸盐水泥（简称道路水泥），代号PR。组成特点：水泥熟料主要矿物硅酸钙和铁铝酸钙铁铝酸四钙高，C4AF的含量16.0，C3A5.0%。性能特点：初凝时间较长，1h；抗折强度高抗折强度高；耐磨性好耐磨性好，磨损率3.60kg/m2；抗裂性好，28d干缩率 0.10%；使用特点：主要用于混凝土路面工程。第67页/共79页抗硫酸盐水泥 组成特点：C3S、C3A的含量低，要求C3S的含量低于50.055.0%；C3A的含量低于5.03.0%。（为什么？）性能特点：具有抵抗较高浓度硫酸根离子侵蚀能力，抗蚀能力以抗硫酸盐腐蚀系数F来评定。要求F

40、0.8。中抗硫水泥中，C3S和C3A的计算含量分别不应超过55.0和5.0；高抗硫水泥中C3S50.0，C3A3.0；烧失量应小于3.0，水泥中SO3含量小于2.5；水泥比表面积不得小于280 m2/kg；凝结时间初凝不早于45min，终凝不迟于600min。应用特点：主要用于受硫酸盐腐蚀的海港、水利、地下、隧道、引水、道路和桥梁基础等工程。第68页/共79页中热硅酸盐水泥和低热矿渣硅酸盐水泥 组成特点：熟料中C3S、C3A的含量较低，后一种掺加2060%的粒化高炉矿渣。性能特点：水化热低，凝结时间较长，中热水泥抗冻性和耐磨性较好。应用特点：适用于大体积混凝土，如大坝水利工程；和要求低水化热、

41、高抗冻性和耐磨性的工程。第69页/共79页快硬硅酸盐水泥 组成特点：熟料中C3S、C3A的含量较高，石膏的掺量略大（其中SO34.0%）。性能特点：水泥的细度较细，凝结硬化快，早期强度增进率高。应用特点：早期强度要求高、紧急抢修、低温施工工程和高标号混凝土预制构件等。第70页/共79页膨胀水泥和自应力水泥 组成特点：含有在水泥的凝结硬化过程中能产生适量体积膨胀的成分，如：氧化钙、氧化镁、硫铝酸钙、明矾石、石膏等。种类：硅酸盐型、铝酸盐型、硫铝酸盐型。性能特点：凝结硬化过程中体积不收缩，而略有膨胀，提高密实性和抗渗性。应用特点：可用于配制防水砂浆和防水混凝土、管道接头、堵缝和自应力钢筋混凝土结构

42、工程和构件等。第71页/共79页铝酸盐水泥（高铝水泥 ）定义：铝酸盐水泥是以铝钒土和石灰石为原料，经锻烧（至熔融状态）后所得以铝酸钙为主、氧化铝含量约为50%的熟料，再经磨制成的水硬性胶凝材料。由于它是以矾土为主要原料，且其铝含量较高，故又被称为矾土水泥或高铝水泥；因为它具有耐高温的特点，故又称为耐火水泥。主要矿物有：铝酸一钙 CaOAl2O3 CA，50%70%；铝酸盐水泥的水化和硬化主要取决于铝酸一钙的水化及其水化物的结晶。特点及应用快凝早强，1d强度可达最高强度的80%以上。水化热大，且放热量集中，1d内放热占总量的 70%80%。抗硫酸盐性能很强，因其水化后无Ca(OH)2及水化铝酸三

43、钙。耐热性好，能耐13001400高温。长期强度要降低，一般降低 40%50%。各种抢修工程、紧急军事工程；高温窑炉的炉体和炉衬、高温车间的部分结构等；可以用于某些腐蚀环境中的工程。第72页/共79页硫铝酸盐水泥定义：以适当成分的生料，经煅烧所得以无水硫铝酸钙3(CaOAl2O3)CaSO4和型硅酸二钙为主要矿物成分的水泥熟料掺加不同量的石灰石、适量石膏磨细制成，具有水硬性的胶凝材料，称为硫铝酸盐水泥。主要矿物有：无水硫铝酸钙3(CaOAl2O3)CaSO4和型硅酸二钙 特点及应用可分为快硬硫铝酸盐水泥、自应力硫铝酸盐水泥、低碱度硫铝酸盐水泥等3个品种。显著的快硬早强特点。具有良好的抗腐蚀性。

44、较高的抗冻性和抗渗性。耐热性较差 快硬硫铝酸盐水泥主要用于早强、抗渗和抗硫酸盐侵蚀的混凝土，配制快应水泥浆用于灌浆、喷锚支护、抢修、堵漏等，也可用于负温施工（冬期施工）。第73页/共79页碱激发胶凝材料定义与特点：碱激发胶凝材料是近年来新发展起来的一类新型无机非金属材料，是由铝硅酸盐胶凝成分固结的化学键合的一种新型胶凝材料。它是通过铝硅酸盐组分的溶解、分散、聚合和脱水硬化而成。其矿物组成与沸石相近，物理形态上呈三维网络结构，因此其具有有机聚合物、陶瓷、水泥的优良性能。分类：碱铝硅酸盐玻璃体类；碱烧黏土类；碱矿石尾矿类；碱碳酸钙类。性能：碱激发胶凝材料所用的原料不同，在形成硬固体以后的力学性能差

45、别较大，但它的强度，尤其是抗拉强度比硅酸盐水泥浆体高得多。碱激发胶凝材料具有良好的、较全面的耐久性。应用：可用于高强结构材料、固封材料和海洋工程、强酸腐蚀环境中的工程材料 第74页/共79页地聚合物定义与特点：Geopolymer一词原意指由地球化学作用或地质合成作用而形成的铝硅酸盐矿物聚合物，而这一概念发展到现在则包括了所有采用天然矿物或固体废弃物制备成的以硅氧四面体与铝氧四面体聚合而成的具有非晶态和准晶态特征的三维网络凝胶体地聚合物材料的结构以网络结构为特征，这与水泥以水化氧化硅为主的微纤维状结构完全不同，此类胶凝材料也因此具有传统水泥所不具有的优异性能。性能：凝结硬化快、早期强度高；良好

46、的界面结合能力；耐腐蚀性好；体积稳定性好；保温隔热性能好；耐久性好；环境协调性好。应用：快速修补材料；地聚合物基涂料；地聚合物板材；建筑用地聚合物块体材料；地聚合物混凝土路面；灌浆料、固封料和耐酸碱腐蚀材料等第75页/共79页本章知识归纳（I）水泥是无机水硬性胶凝材料，按用途与性能也可划分为通用水泥、专用水泥及特性水泥三类。一般土木建筑工程中常用的水泥多为硅酸盐系水泥，通用硅酸盐水泥包硅酸盐水泥、PO、PF、PS、PP、PC等六大品种。硅酸盐水泥熟料中主要的硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）和铁铝酸四钙（C4AF）四种矿物。通用硅酸盐水泥的技术指标有：化学指标、凝结时间

47、、体积安定性、强度和细度等。影响水泥凝结硬化的主要因素有：熟料的矿物组成、水泥的细度、拌合用水量、养护条件及龄期等。第76页/共79页本章知识归纳（II）通用硅酸盐水泥在通常环境条件中可表现出较好的耐久性，某些环境条件下可能发生水泥石的腐蚀，典型的腐蚀类型有：软水侵蚀、盐类侵蚀、酸类侵蚀、强碱的腐蚀等。提高水泥石的密实程度可有效改善水泥石的抗腐蚀性能。实际工程中，应根据使用环境和性能要求，结合六大品种水泥的特性和适用范围，合理选用通用硅酸盐水泥。工程中也广泛使用其他具有特殊性能的水泥，如其他硅酸盐系水泥（白色硅酸盐水泥、彩色硅酸盐水泥、道路硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、中低热水泥）以及铝酸盐系水泥、硫铝酸盐水泥等非硅酸盐系列水泥。碱激发胶凝材料是近年来新发展起来的一类新型无机非金属材料，包括地聚合物材料，具有常规胶凝材料难以比拟的优良性能。第77页/共79页（第三章水泥）主讲人：陈德鹏15 15 二月二月 2023 2023谢 谢 大 家!清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS第78页/共79页感谢您的观看！第79页/共79页